-
Gasturbinenläufer, bei welchem Schaufeln und Läufer aus keramischen
Massen hergestellt sind Es ist allgemein bekannt, daß die Wirtschaftlichkeit der
Gasturbine eine Frage des Werkstoffes ist. Je höher man mit der Gastemperatur beim
Eintritt in die Turbine gehen kann, desto besser ist die Wirtschaftlichkeit. Die
Dauerstandfestigkeit der gegenwärtig vorhandenen Stähle bzw. Legierungen setzt aber
einer beliebigen Temperaturerhöhung bald eine Grenze. Man hat daher schon versucht,
@die am höchsten wärmebeanspruchten Teile, wie z. B. die Schaufeln, durch einen
Luftstrom oder in anderer Weise zu kühlen. Jede derartige Kühlung bedeutet aber
einen zusätzlichen Aufwand und verteuert deshalb die Anlage. Außerdem wird dadurch
eine Wirkungsgradeinbuße bedingt. Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man ferner
vorgeschlagen, für die hochwärmebeanspruchten Teile keramische Werkstoffe zu verwenden.
Bestimmte keramische Massen haben selbst bei Temperaturen von rooo° C und mehr noch
Festigkeiten, die bei den in Frage kommenden metallischen Werkstoffen bei weitem
nicht erreicht werden. Außerdem: haben die keramischen Massen die bedeutenden Vorteile
des geringen spezifischen Gewichtes.
-
Die Bearbeitungsmöglichkeiten und viele andere Eigenschaften der keramischen
Werkstoffe unterscheiden sie jedoch stark von metallischen Werkstoffen. Bei der
Konstruktion von Gasturbnenläufern aus keramischen Werkstoffen muß. man auf diese
ganz anders gearteten Verhältnisse besonders Rücksicht nehmen. Besondere Schwierigkeiten
bereitet z. B. die Verbindung verschiedener keramischer Bauteile miteinander. So
werden beispielsweise :die Füße der Gasturbinenschaufeln im Betrieb durch die Fliehkräfte
sehr hoch beansprucht. Da ferner die keramischen Massen bei Raumtemperaturen keine
Verforrn#barkeit aufweisen, muß bei der Bearbeitung der zu verbindenden Teile größte
Sorgfalt darauf verwendet werden, daß die anein.anderliegenden Flächen genau eben
sind, so daß nirgends Druckspitzen auftreten, die das Werkstück zersprengen könnten.
Um diese Schwierigkeiten
zu vermeiden, hat man vorgeschlagen, Schaufeln
und Läufer aus einem Stück herzustellen. Bei manchen keramischen Werkstoffen ist
es aber sehr schwierig, z. B. den vollst:ilidigen Läufer mit den verhältnismäßig
dünnen Schaufeln aus einem Stück fehlerfrei herzustellen. Es ist demgemäß auch bereits
vorgeschlagen, auf frei stehende Schaufeln zll verzichten und in den Laufscheiben
als Schaufelkanäle .dienende Durchbrechungen vorzusehen. Derartige Turbinenweisen
aber einen sehr geringen Wirkungsgrad auf. Ferner hat man versucht, die Schaufeln
einzeln mittels eines Laval- oder eines ähnlichen Fußes in den Läufer einzusetzen.
Da man bei dies,r Anordnung hinsichtlich der Ausbildung des Fußes Rücksicht auf
die Erfordernisse der keramischen Werkstorfe nehmen muß, wird jedoch die Schaufelteilung,
die schon beim normalen Lavalfuß verliältnisinäß'ig groß ist, so groß, daß der anzustrebende
höchste Wirkungsgrad nicht erreicht werden kann. Beim Gasturbinenbau ist aber Ausnützung
aller Möglichkeiten, also auch höchster Wirkungsgrad-der Turbine, unbedingt erforderlich.
-
Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß die
im Läuferumfang frei stehenden keramischen Laufschaufeln auf zwei Seiten von keramischen
Scheiben gehalten werden, die auf der Turbinenwelle unter Zwischenschaltung eines
elastischen Gliedes, z. B. einer Feder, gegeneinandergepreßt werden und die Berührungsflächen
zwischen den Schaufeln und den Läuferscheiben einen solchen Winkel zur Turbinenachse
bilden, daß die Kraftlinien sich noch innerhalb des Läuferfußes bzw. :der Läuferscheiben
schneiden. Es ist zwar bei Metallturbinen bekannt, die Schaufeln zwischen zwei Laufscheiben
einzuschweißen oder die Laufscheiben seitlich gegen -die Schaufeln anzupressen,
doch hat dabei natürlich die Frage der Kräftelenkung wegen des gänzlich anders gearteten
-Werkstoffes keine besondere. Beachtung gefunden. Bei der keramischen Turbine ist
es demgegenüber aber von erheblicher Bedeutung, daß erst mit der besonderen Schaufelbefestigung
nach der Erfindung eine einwandfreie Lösung dieser Aufgabe erreicht wurde.
-
- In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Turbinenläufern
nach der Erfindung in schematischer Weise dargestellt, und zwar zeigen: Abb. i einen
Turbinenläufer, der aus zwei keramischen Läuferscheiben besteht, Abb.2 einen Turbinenläufer,
-essen keramische Läuferscheiben auf jeder Seite von einer Stahlscheibe abgeschützt
sind, Abb.3 einen mehrstufigen Turbinenläufer. In der Abb. i ist der Turbinenläufer
senkrecht in die beiden lzeramisclien Läufer- ; scheibert i und :2 unterteilt. Die
Schaufeln ? welche ebenfalls aus keramischer Masse be stehen, besitzen einen Hammerkopffuß,
de auf beiden Seiten von den Läuferscheiben und 2 umfaßt wird. Infolge der schräges
Ausbildung der Berührungsflächen d an Schaufelfuß und 5 an den Läuferscheibei sind
die Kraftlinien bei der Kraftübertragunt von den Schaufeln 3 auf die Läuferscheiben
i und -2 so gerichtet, daß sie sich innerhalb de: Hammerkopffußes schneiden, so
daß Bie gungsbeanspruchungen in der Schaufel nick auftreten. Die Verspannung der
beider Läuferscheiben i und 2 erfolgt in der Weise daß die Läuferscheibe i sich
gegen den Bund ; der Turbinenwelle 8 legt und die Läuferscheibe 2 mittels einer
auf der Turbinenwelle 8 angeordneten Schraubenmutter 9 geger die Laufschaufeln 3
gedrückt wird. Zwischen der Schraubenmutter g und der Läuferscheibe 2 ist ein -elastisches
Glied in Gestalt einer Schraubenfeder io angeordnet, uni Wärmedehnungen zu ermöglichen.
Zwischen den beiden Läuferscheiben i und 2 ist zWeCkmäßigerweise ein schmaler Spalt
6 vorgesehen. .
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Abb.2 werden die beiden Läuferscheiben
nicht unmittelbar miteinander verspannt, sondern gegen die Stahlscheiben. 12 und
13 abgestützt. Der Angriff der Stützscheiben 12 und 13 an den Stellen
1d. der Läuferscheiben i und 2 erfolgt in der Höhe der schrägen Flächen d. am Schaufelfuß,
so da]) auf alle Fälle Biegungsbeanspruchungen in den Lauferscheiben i und 2 vermieden
werden. Die Zusammendrü ckung der Abstützscheiben 12 und 13 erfolgt in der
gleichen Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach der Abb. i. Die Scheibe 12 stützt
sich gegen #ien L-ulld; der Turbinenwelle 8 und die Scheibe 13 wird unter
Zwischenschaltung der Feder io mit Hilfe der Schraubenmutter 9 gegen die Läuferscheibe
2 gepreßt. Man kamt das elastische Zwischenglied (Feder io) auch dadurch ersetzen,
daß man die Stahlscheiben auf ihrem senkrecht zur Wellenachse verlaufenden Teil
15 so dünn ausführt, daß -sie eine bestimmte Elastizität besitzen und deinzllfolge
federnd wirken. Die Stalilschei-be 12 ist beispielsweise federnd ausgeführt, während
die Stahlscheibe 13 einer Wärmeausdehnung des Tulbinenläufers Widerstand
leistet und demzufolge nur in Verbindung mit der Feder io anwendbar ist. Selbstverständlich
wird Milan in der Praxis entweder beide Scheiben 12 und 13
elastisch oder
starr ausführen. Lm eine zu starke Erwärmung der Stahlscheiben 12 und 13 zu vermeiden,
sind die Läuferscheiben i und 2 mit ringförmigen Rippen i(-) ausgebildet, die in
Verbindung mit ebensolchen Rippen
17 am Turbinengehäuse i8 eine
Labyrinthdichtung bilden. Man kann auch die Stahlscheiben 12 und 13 mit den gleichen
Rippen 16 versehen. und zwischen den beiden Labyrinthdichtungen Sperrluft einführen,
so daß an dieser Stelle noch einmal eine Abdichtung gegenüber dem Gasraum der Turbine
vorhanden ist.
-
Wie man insbesondere aus der Abb. 3 erkennt, eignet sich die Ausbildung
des Turbinenläufers nach der Erfindung besonders für mehrstufige Turbinen. In, der
Abb. 3 ist die Anordnung schematisch für eine mehrstufige Turbine dargestellt. Jede
zwischen zwei Stufen gelegene Läuferscheibe ig ist von Biegungsbeanspruchungen praktisch
entlastet, da sich @die von der Fläche 5 ausgehenden Kraftlinien innerhalb der Läuferscheibe
treffen. Man kann natürlich auch bei mehrstufigen Turbinenläufern die an den Enden
befindlichenLäuferschefben i und 2 mit Stützscheiben in der gleichen Weise wie bei
der Ausführung nach der Abb.,2 versehen.
-
Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen lassen, sich diel Läuferscheiben
mit der größtmöglichen Genauigkeit bearbeiten. Dasselbe gilt auch für die Schaufeln.
Beim Schaufelfuß werden zunächst die. Seitenflächen in einer Vorrichtung genau geschliffen,
dann werden die Schaufeln an diesen Flächen in einer Vorrichtung aneinandergelegt,
wobei zum Ausgleich kleinerer Ungenauigkeiten ein Schlußstück eingepaßt wird.
-
Man kann schließlich auch die einzelnen Schaufeln in an sich bekannter
Weise in die Läuferscheiben einglasieren. In diesem Fall wird zweckmäßig der Spalt
6 zwischen den Läuferscheiben sehr klein ausge "fuhrt, und die benachbarten Läuferscheiben
zweier aufeinanderfolgender Schaufelkränze werden ebenfalls mittels Glasur zusammengebrannt.
Bei diesem Verfahren ist die erforderliche Genauigkeit der bearbeiteten Schaufeln
und Läuferscheiben. nicht so groß, da die Glasur in der Lage ist, geringe Unebenheiten
auszugleichen.
-
Ein weiterer Vorteil des Läufers nach der Erfindung besteht darin,
daß man kleine Ungenauigkeiten in der Herstellung dadurch ausgleichen kann, daß
man die zusammengebauten Läufer bei hohen Temperaturen zusaminenpreßt, so daß etwa
vorstehende Schaufeln in :die Läuferscheiben an der Stelle 5 hineingedrückt werden.
Es kommen somit alle Schaufeln an den Stellen q. und an den Seitenflächen zum Anliegen.
Durch eingehende Versuche wurde nämlich festgestellt, daß bei hohen Temperaturen
die keramischen Werkstoffe in gewissem Maße sich plastisch verformen lassen. Mit
Hilfe dieses Verfahrens kann man .auch einzelne schadhaft gewordene Schaufeln auswechseln.
Nach Einsetzen der neuen Schaufeln wird dann der ganze Läufer von neuem einem Preßvorgang
bei hohen Temperaturen ausgesetzt, so daß die neuen Schaufeln ebenfalls an allen
erforderlichen Stellen zum Anliegen kommen. Die Temperaturen müssen dabei für jede
keramische Masse besonders ermittelt werden. Beim Zusammenpressen des Läufers wird
der Druck zweckmäßig so eingeleitet, daß Biegungsbeanspruchungen vermieden werden.,
,also an Stellen, die mit den Flächen ¢ bzw. 5 auf demselben Zylindermantel liegen.